中高层大气研究的空间探测

中高层大气研究对于深入理解全球变化和日地关系十分重要,也为有关航天与临近空间飞行的环境保障提供基础。中高层大气研究的目的是要深入了解其中发生的主要过程及其耦合,并发展各种模式。在现代中高层大气研究中,地基、高空飞机、高空气球、火箭和空间观测提供了动力、热力和化学成分结构与变化的资料,其中空间观测起到至关重要的作用。将对用于中高层大气研究的卫星任务和传感器载荷进行综述,同时列举一些中高层大气空间观测的科学结果。     

全天候卫星微波观测资料变分同化研究进展

云和降水区微波观测包含大量与天气系统,特别是台风、暴雨等灾害性天气系统发生发展密切相关的大气信息,因此微波资料的全天候同化应用成为当前数值预报领域的热点研究问题。过去20年间,全球几大数值预报中心逐步开展了全天候同化技术的研究和业务应用,证实了全天候卫星微波观测资料能够改进模式中的质量、风场、湿度以及云和降水场的初始信息,从而改进数值预报模式的预报效果。通过梳理和评述全天候卫星微波观测资料同化方法,分析其中的关键技术问题和目前存在的困难和挑战,为未来在我国数值天气预报领域开展全天候同化研究提供依据。随着我国新一代数值天气预报模式的发展应用,加强我国全天候资料同化技术的研究将会在业务中发挥更大的科学效益和应用效益。     

北太平洋Rossby波研究进展

系统地阐述了北太平洋Rossby波在卫星观测、理论扩展及模型应用3个方面的研究成果.随着卫星观测技术的发展,明显地探测到海表面信号的Rossby波特征,且观测到波速在热带外大于自由Rossby波理论值.为解释这个波动加速现象,在自由Rossby渡理论的基础上,考虑了大气强迫、非静止基流及海底地形等因子的作用,使得Rossby波的波动理论得到了扩展.而关于风应力强迫Rossby波的线性理论模型主要有3类:一阶斜压Rossby波模型、局地Ekman抽吸模型和Svetdrup平衡模型.这些模型被广泛地应用到北太平洋海表面高度和温度/密度跃层深度等要素变化的机理研究中,得到了不同的模型在大洋的不同区域有不同的作用等结论.最后,对线性Rossby波研究存在的问题进行了初步探讨,提出了需要进一步解决的新课题.     

饱和地基表面基础在Rayleigh波作用下的摇摆振动分析

考虑地基与基础的相互作用,运用Biot波动方程理论,研究了饱和地基表面有质量的刚性圆形基础在入射Rayleigh波作用下的摇摆振动问题。将饱和地基中的总波场分解为自由波场、刚体辐射波场及刚体散射波场,从而考虑基础对Rayleigh波的散射。采用Hankel变换求解土体控制方程,结合基础摇摆振动的混合边值条件以及Rayleigh波的动力作用获得基础摇摆振动振幅的表达式。计算结果分析了泊松比、基础质量、透水条件、土体渗透系数等对基础摇摆振动的影响。研究结果表明,与弹性介质相比,饱和地基中孔隙水的存在减弱了基础的摇摆振动,其作用效果与土体渗透系数及地基表面排水条件密切相关。     

利用卫星数据考察平流层传播性行星波活动特征

中层大气是大气波动盛行的区域。这些波动不仅是这里大气扰动的主要形态,伴随其传播的耗散成为作用在背景流场上的动力强迫和作用于环境物质上的湍流混合,影响到了中层大气的各个方面,尤其对一些典型环流结构的形成起着控制作用。简要地回顾了这个研究领域发展的历史。与此同时,利用美国卫星温度探测数据（SABER/TIMED温度数据）考察了平流层（20~70 km高度范围）传播性行星波活动的整体性质,给出了他们的空间分布和年变化形式。利用温度标准差（T SDEV）代表行星波活动的强度,当前研究显示无论在热带外地区或以赤道为中心的热带地区,全年传播性行星波活动都是相当显著的。结合同期定常行星波活动强度分析结果,通过比较说明在热带外地区,传播性波动和定常波动表现出相近的季节活动性;从T SDEV数值看,在定常波活动达到最强的季节(冬末春初),这两类波动活动的强度达到了相当的程度（TSDEV=12~14 K）。当前结果还显示,在定常波活动受到显著抑制的夏季条件下,传播性波动成为平流层行星波活动的主导成分。在赤道地区的分析结果表明传播性波动是这里的控制性波动,并且其活动强度在全年都处在相当稳定的状态;T SDEV分析结果还给出了一个值得关注的现象,从平流层下部开始（20 km高度）逐渐随高度增大（大于2 K）,但是这种随高度增长的趋势在30 km高度左右突然终止;从30 km开始直到中间层底部,T SDEV几乎不随高度变化,这隐含地说明这里的波动处于一种饱和的状态。     

大气廓线物理反演的最优化方法进展

从最优化数学理论角度对大气廓线物理反演以及卫星辐射率资料直接同化中的最优化算法进行了回顾。分析了各种方法的优点和缺点、联系和差别。总结了卫星大气遥感反演问题的求解思路。对大气廓线反演研究中几种主要的目标函数和寻优策略进行了分析,着重分析了目前作为各数值预报中心和卫星数据处理中心业务数值产品核心算法的牛顿非线性迭代法的不足之处,并对其改进途径进行了探讨。引入了Levenberg-Marquardt方法及信赖域方法用于大气廓线反演,使反演算法的收敛性质得到改善。     

利用场地观测计算地表通量

高原地表的感热和潜热通量在亚洲季风系统中有很重要的作用。由于高原地域辽阔，且自然环境较严酷，不利于建立完善的地面观测系统。因此，卫星遥感观测就成为测算高原整体感热和潜热通量的有效工具。地面场地的观测结果作为地表通量的真实值，对于卫星遥感测算是非常重要的。它也为构建陆面—大气模型提供了科学依据，是卫星资料的资料同化系统中的重要组成部分。 计算场地热量通量有几种不同的处理方法。最简单的方法利用有效的观测和试验的参数，可以给出稳定连续的估计。愈精确的Bowen比或者廓线的观测能给出愈精确的信息。综合了湍流测量及辐射测量、土壤热通量的观测结果的估计对陆面—大气相互作用进行了详细的描述，以适应模式的发展。从1998年开始，这些方法联合应用到青藏高原；场地通量观测方面的成果以及目前对其理解将在本文中做一概述。     

确定卫星重力场中的海潮负荷影响问题

概要综述了确定卫星重力场恢复中的海洋负荷潮汐改正理论和精度估算问题。利用TPXO6海潮模型计算了海潮对卫星重力恢复的影响,与GRACE观测误差实施了对比。结果说明海潮M2波对卫星重力场恢复的影响最大,并主要体现在40阶以下的位系数上。海潮模型误差对低阶卫星重力场恢复的影响也是比较明显的。相关结果可有效降低GRACE恢复的低价重力场位系数的潮汐成分,为我国相应的学科研究提供有效参考。     

近10年来南海孤立内波的研究进展

孤立内波是存在于海洋密度跃层中的非线性大振幅波动.综述了近10年来随着卫星遥感资料、现场观测资料的日益增多和数值模拟技术的发展,关于南海北部孤立内波的特征、形成的动力机制和传播演变规律及孤立内波在海洋工程中的载荷估算等方面所取得的研究成果,并讨论了未来南海孤立内波研究中值得关注的一些问题.     

二维地基中空沟−波阻板联合隔振屏障分析

针对地基隔振控制,提出了一类新型的空沟?波阻板联合隔振屏障,并对其隔振性能进行了数值分析。首先,利用复伸展坐标变换,在频域内建立了完全匹配层（perfect matched layer, PML）吸收边界的控制方程;其次,利用Galerkin近似技术,给出了以位移为基本未知量的二阶非分裂格式PML的频域有限元计算列式;最后,通过数值算例分析了空沟?波阻板联合隔振屏障的物性参数（地基与波阻板的模量比）、几何参数（空沟深度、波阻板深度）以及载荷参数（振动波频率）等对其隔振性能的影响规律。结果表明,空沟?波阻板联合隔振屏障结合了空沟和波阻板各自的优势,可以有效地控制不同频率振源引起的地基振动。     

冰雹灾害的大气重力波遥感预警系统

１９８５～１９９２年在北京、贵阳及河北满城进行的多次强对流过程大气重力波探测研究中，发现灾害性冰雹出现前３～６ｈ即有周期为２０～６０ｍｉｎ，振幅超过３０Ｐａ的大气微压重力波间歇性的活动。这一发现为灾害性冰雹过程的临近预报提供了重要指标。在此基础上我们使用重力波动态（三维）谱分析技术并设计了相应的微机系统软件，实现了大气重力波数据的实时采集分析和连续动态谱显示，从而研制成将微压波探头、数据采集、微机动态谱实时显示和临近预报指标等软、硬件结合为一体的冰雹重力波预警系统。该系统对强对流冰雹过程有很高的预警和识别能力，并且已达到实际业务使用水平，初步应用于人工防雹作业指挥，大大减少了空报造成的盲目性。１９９３年３～６月该系统在贵州省重雹灾区普定县实际用于冰雹预报和人工防雹作业指挥的效果证明，该系统可提供时效为３～６ｈ的冰雹预警信息，未出现空报和漏报，为该县减少炮弹耗费５０％以上，经济社会效益明显。这一系统同时还是普遍适用的大气重力波探测和实时分析工具，应用时只须改变软件中的参数设置或增加局部应用程序，即可对锋面、气旋、台风、高空槽、高低空急流等天气系统和强对流、危险性风切变等大气现象以及大气边界层结构等进行连续跟踪     

重力场的潮汐变化观测及其研究

基于我国武汉超导重力仪长周期序列潮汐观测数据,研究了重力场潮汐变化特征,精密确定了地球潮汐常数,讨论了重力观测中的海潮负荷和大气效应问题;根据地球自由核章动在周日重力潮汐观测中的共振效应确定了自由核章动的复本征周期和品质因子Q值,研究了极移重力效应;并对进一步利用重力潮汐观测研究地球物理问题进行了讨论。     

大气中准定常行星波的形成,传播与异常机制的研究

大气中准定常行星波的研究,这是一个关系到气候异常,长期天气演变的物理机制重要的大气动力学问题。本研究从理论上及实际观测资料方面系统地研究了大气中准定常行星波的产生、传播与异常的物理机制。主要研究结果如下:     

深水区地震波传播特性研究

根据层速度与Q值的经验公式和对射线参数进行泰勒展开的方法，以及二维有限差分声波波动方程波场数值模拟技术，为海上长排列大容量震源地震资料采集及高分辨率地震勘探野外施工的观测系统设计及数据处理方案等提供参考意见。     

卫星重力发展及应用

卫星重力资料在恢复地球重力场方面具有全球高覆盖率、高空间分辨率、高精度和高时间重复率等优点,为大地测量和地球物理学科的发展开辟了新的途径。本文简要回顾了卫星重力的发展历程,介绍了四种卫星重力探测技术的原理和发展状况,并分析了三颗重力卫星的优点和不足,最后对卫星重力在地球科学中的的应用情况进行了简要总结。     

地基GPS气象学研究的主要问题及最新进展

目前大多数映射函数在低高度角时精度都比较差，发展适应低高度角的映射函数，提高低高度角观测值的利用率，研究大气的水平梯度是目前地基GPS气象学的主要研究任务，发展随时空变化的动态映射函数也是国际上的一个主要研究问题。由于PWV不能提供水汽分布的三维信息，求定GPS信号斜路径方向上的水汽SWV，以及利用SWV层析大气的垂直结构是目前国际上 GPS气象学的研究前沿。文中总结了目前国际上SWV的求定及层析水汽三维结构的主要方法，及存在的问题。把GPS探测的水汽同化到数值天气预报中，以提高数值预报的能力是GPS气象学研究的目的，作者介绍了目前水汽在数值预报模型中的同化情况。另外还回顾了利用GPS观测结果进行全球气候变化和大气折射环境研究的进展。     

VTI介质中井间地震三分量数据的波场特征

用波动方程的有限差分数值解法,模拟了井间地震观测到的VTI介质中传播的波场,合成井间地震共炮点的三分量记录,对比识别了野外实际井间地震三分量观测记录上的快纵波、慢纵波、快横波和慢横波,分析了各类波的传播速度和偏振特性,为井间地震数据的波场分离、不同类型波场的成像以及纵横波和快慢波的联合解释提供依据。      

卫星导风在台风路径预报中的应用进展

台风作为全球危害巨大的自然灾害,对其路径预报的准确度尤为重要.在常规观测资料稀少的热带洋面上,卫星云图是监测热带气旋的主要工具,其中卫星导风技术,通过对云及晴空区特征的追踪,反演出的卫星风矢,在一定程度上弥补了海洋上由于风场观测资料稀缺对台风路径研究的限制,显著提高了台风路径预报水平.结合近年来逐步成熟的卫星导风中的云导风技术在台风预报上的应用,总结了国内云导风技术在改善台风路径预报中的贡献,如加密观测资料、台风中心定位、优化数值模式初始场和客观分析场、构造人造台风Bogus模型以及由其揭示的发展和不发展热带气旋的对流层上部环流特征,同时展望了卫星导风技术及其资料在台风预报实际应用中有待进一步研究的内容.     

2008-2012年拉萨地基与卫星臭氧总量观测比较

通过比较2008-2012年拉萨站地基观测臭氧总量与三种卫星反演产品, 评估地基和卫星观测臭氧总量数据的质量信息. 结果表明: 地基与卫星臭氧总量绝对差为-10~15 DU, 相对差为-4%~4%, 日尺度相对差呈随机分布特征; TOSOMI算法反演的SCIAMACHY臭氧总量更接近地基观测结果, DOAS算法反演OMI臭氧总量与地基观测结果差异最大. 地基与卫星臭氧总量标准差存在季节性变化, 夏季最大, 冬季最小; 云的影响会加剧地基与卫星臭氧总量差异, 以SCIAMACHY产品最为显著.     

卫星测高重力资料及其在南海莺-琼盆地中的应用

利用卫星测高资料换算得出的高精度、高分辨率重力资料可以广泛应用于海上区域地质构造研究。在研究卫星测高换算重力资料方法的基础上，计算了位于中国南海区域的莺歌海和琼东南盆地的重力值，增加了该海域的地球物理信息；并将计算结果与利用地球重力模型(EGM96)计算的结果进行了对比。对比结果表明，前者的分辨率明显高于后者。同时利用卫星测高换算的重力资料，对上述盆地进行了地质构造解释，确定了盆地的基本地质构造特征。研究表明，由卫星测高换算得到的重力资料研究海洋盆地是一种有效方法。